鸿蒙轻内核M核源码分析系列五 时间管理

在鸿蒙轻内核源码分析上一篇文章中，我们剖析了中断的源码，简单提到了Tick中断。本文会继续分析Tick和时间相关的源码，给读者介绍鸿蒙轻内核的时间管理模块。本文中所涉及的源码，以OpenHarmony LiteOS-M内核为例，均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。

时间管理模块以系统时钟为基础，可以分为2部分，一部分是SysTick中断，为任务调度提供必要的时钟节拍；另外一部分是，给应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计功能。

系统时钟是由定时器/计数器产生的输出脉冲触发中断产生的，一般定义为整数或长整数。输出脉冲的周期叫做一个“时钟滴答”，也称为时标或者Tick。Tick是操作系统的基本时间单位，由用户配置的每秒Tick数决定。如果用户配置每秒的Tick数目为1000，则1个Tick等于1ms的时长。另外一个计时单位是Cycle，这是系统最小的计时单位。Cycle的时长由系统主时钟频率决定，系统主时钟频率就是每秒钟的Cycle数，对于216 MHz的CPU，1秒产生216000000个cycles。

用户以秒、毫秒为单位计时，而操作系统以Tick为单位计时，当用户需要对系统进行操作时，例如任务挂起、延时等，此时可以使用时间管理模块对Tick和秒/毫秒进行转换。

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下面，我们剖析下时间管理模块的源代码，若涉及开发板部分，以开发板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\为例进行源码分析。

1、时间管理初始化和启动

我们先看下时间管理模块的相关配置，然后再剖析如何初始化，如何启动。

1.1 时间管理相关的配置

时间管理模块涉及3个配置项，系统时钟OS_SYS_CLOCK、每秒Tick数目LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND两个配置选项，还有宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME。LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME默认关闭，开启时，需要提供定制函数VOID platform_tick_handler(VOID)，在Tick中断处理函数中执行定制操作。这些配置项在模板开发板工程目录的文件target_config.h中定义，如文件targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\target_config.h中定义如下:

#define OS_SYS_CLOCK                                        96000000
#define LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND                    (1000UL)
#define LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME                       0

1.2 时间管理初始化和启动

函数INT32 main(VOID)会调用kernel\src\los_init.c中的函数UINT32 LOS_Start(VOID)启动系统，该函数会调用启动调度函数UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)。源码如下：

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_Start(VOID)
{
    return HalStartSchedule(OsTickHandler);
}

函数UINT32 HalTickStart(OS_TICK_HANDLER *handler)定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c，源码如下。其中函数参数为Tick中断处理函数OsTickHandler()，后文会分析该tick中断处理函数。⑴处代码继续调用函数进一步调用函数HalTickStart(handler)来设置Tick中断启动。⑵处会调用汇编函数HalStartToRun开始运行系统，后续任务调度系列再详细分析该汇编函数。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)
{
    UINT32 ret;
⑴  ret = HalTickStart(handler);
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
⑵  HalStartToRun();
    return LOS_OK; /* never return */
}

函数HalTickStart(handler)定义在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c，源码如下，我们分析下函数的代码实现。⑴处校验下时间管理模块的配置项的合法性。在开启宏LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT时，会使用系统定义的中断。会执行⑵处的代码，调用定义在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_interrupt.c中的函数OsSetVector()设置中断向量，该函数在中断系列会详细分析。⑶处设置全局变量g_sysClock为系统时钟，g_cyclesPerTick为每tick对应的cycle数目，g_ullTickCount初始化为0，表示系统tick中断发生次数。⑷处调用定义在targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\Drivers\CMSIS\Include\core_cm7.h文件中的内联函数uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)，初始化、启动系统定时器Systick和中断。

WEAK UINT32 HalTickStart(OS_TICK_HANDLER *handler)
{
    UINT32 ret;

⑴  if ((OS_SYS_CLOCK == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND == 0) ||
        (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND > OS_SYS_CLOCK)) {
        return LOS_ERRNO_TICK_CFG_INVALID;
    }

#if (LOSCFG_USE_SYSTEM_DEFINED_INTERRUPT == 1)
#if (OS_HWI_WITH_ARG == 1)
    OsSetVector(SysTick_IRQn, (HWI_PROC_FUNC)handler, NULL);
#else
⑵  OsSetVector(SysTick_IRQn, (HWI_PROC_FUNC)handler);
#endif
#endif

⑶  g_sysClock = OS_SYS_CLOCK;
    g_cyclesPerTick = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
    g_ullTickCount = 0;

⑷  ret = SysTick_Config(g_cyclesPerTick);
    if (ret == 1) {
        return LOS_ERRNO_TICK_PER_SEC_TOO_SMALL;
    }

    return LOS_OK;
}

1.3 Tick中断处理函数OsTickHandler()

文件kernel\src\los_tick.c定义的函数VOID OsTickHandler(VOID)，是时间管理模块中执行最频繁的函数，每当Tick中断发生时就会调用该函数。我们分析下该函数的源码，⑴处如果开启宏LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME，会调用定制的tick处理函数platform_tick_handler()，默认不开启。⑵处会更新全局变量g_ullTickCount，⑶处如果开启宏LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE，会检查当前运行任务的时间片，在后续任务模块会详细分析下函数OsTimesliceCheck()。⑷处会遍历任务的排序链表，检查是否有超时的任务。⑸处如果支持定时器特性，会检查定时器是否超时。

源码如下：

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
#if (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME == 1)
⑴  platform_tick_handler();
#endif

⑵  g_ullTickCount++;

#if (LOSCFG_BASE_CORE_TIMESLICE == 1)
⑶  OsTimesliceCheck();
#endif

⑷   OsTaskScan();  // task timeout scan

#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == 1)
⑸  (VOID)OsSwtmrScan();
#endif
}

2、LiteOS内核时间管理常用操作

时间管理提供下面几种功能，时间转换、时间统计等，这些函数定义在文件kernel\src\los_tick.c，我们剖析下这些操作的源代码实现。

2.1 时间转换操作

2.1.1 毫秒转换成Tick

函数UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)把输入参数毫秒数UINT32 millisec可以转化为Tick数目。代码中OS_SYS_MS_PER_SECOND，即1秒等于1000毫秒。时间转换也比较简单，知道一秒多少Tick，除以OS_SYS_MS_PER_SECOND，得出1毫秒多少Tick，然后乘以millisec，计算出Tick数目的结果值并返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_MS2Tick(UINT32 millisec)
{
    if (millisec == OS_NULL_INT) {
        return OS_NULL_INT;
    }

    return ((UINT64)millisec * LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND) / OS_SYS_MS_PER_SECOND;
}

2.1.2 Tick转化为毫秒

函数UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 tick)把输入参数Tick数目转换为毫秒数。时间转换也比较简单，ticks数目除以每秒多少Tick数值LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND，计算出多少秒，然后转换成毫秒，计算出结果值并返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_Tick2MS(UINT32 ticks)
{
    return ((UINT64)ticks * OS_SYS_MS_PER_SECOND) / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
}

2.1.3 Cycle数目转化为毫秒

介绍转换函数之前，先看下一个CpuTick结构体，结构体比较简单，就2个成员，分别表示一个UINT64类型数据的高、低32位数值。

typedef struct tagCpuTick {
    UINT32 cntHi; /* < 一个64位数值的高32位 */
    UINT32 cntLo; /* < 一个64位数值的低32位 */
} CpuTick;

继续看转换函数OsCpuTick2MS()，它可以把CpuTick类型表示的cycle数目转换为对应的毫秒数，输出毫秒数据的高、低32位数值。看下具体的代码，⑴处校验参数是否为空指针，⑵处检查系统时钟是否配置。⑶处把CpuTick结构体表示的cycle数目转化为UINT64类型数据。⑷处进行数值计算，(DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND得到每毫秒多少个cycle数，然后和tmpCpuTick做除法运算，得到cycle数目对应的毫秒数目。⑸处把DOUBLE类型转换为UINT64类型，然后执行⑹，分别把结果数值的高、低64位赋值给*msLo、*msHi。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsCpuTick2MS(CpuTick *cpuTick, UINT32 *msHi, UINT32 *msLo)
{
    UINT64 tmpCpuTick;
    DOUBLE temp;

⑴  if ((cpuTick == NULL) || (msHi == NULL) || (msLo == NULL)) {
        return LOS_ERRNO_SYS_PTR_NULL;
    }

⑵  if (g_sysClock == 0) {
        return LOS_ERRNO_SYS_CLOCK_INVALID;
    }
⑶  tmpCpuTick = ((UINT64)cpuTick->cntHi << OS_SYS_MV_32_BIT) | cpuTick->cntLo;
⑷  temp = tmpCpuTick / ((DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_MS_PER_SECOND);

    tmpCpuTick = (UINT64)temp;

    *msLo = (UINT32)tmpCpuTick;
    *msHi = (UINT32)(tmpCpuTick >> OS_SYS_MV_32_BIT);

    return LOS_OK;
}

2.1.4 Cycle数目转化为微秒

转换函数OsCpuTick2US()，它可以把CpuTick类型表示的cycle数目转换为对应的毫秒数，输出毫秒数据的高、低32位数值。该函数和OsCpuTick2MS()类似，自行阅读即可。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsCpuTick2US(CpuTick *cpuTick, UINT32 *usHi, UINT32 *usLo)
{
    UINT64 tmpCpuTick;
    DOUBLE temp;

    if ((cpuTick == NULL) || (usHi == NULL) || (usLo == NULL)) {
        return LOS_ERRNO_SYS_PTR_NULL;
    }

    if (g_sysClock == 0) {
        return LOS_ERRNO_SYS_CLOCK_INVALID;
    }
    tmpCpuTick = ((UINT64)cpuTick->cntHi << OS_SYS_MV_32_BIT) | cpuTick->cntLo;
    temp = tmpCpuTick / ((DOUBLE)g_sysClock / OS_SYS_US_PER_SECOND);

    tmpCpuTick = (UINT64)temp;

    *usLo = (UINT32)tmpCpuTick;
    *usHi = (UINT32)(tmpCpuTick >> OS_SYS_MV_32_BIT);

    return LOS_OK;
}

2.2 时间统计操作

2.2.1 获取每个Tick等于多少Cycle数

函数UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)计算1个tick等于多少cycle。g_sysClock系统时钟表示1秒多少cycle，LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND一秒多少tick，相除计算出1 tick多少cycle数，即g_cyclesPerTick = g_sysClock / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_CyclePerTickGet(VOID)
{
    return g_cyclesPerTick;
}

2.2.2 获取自系统启动以来的Tick数

UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)函数计算自系统启动以来的Tick中断的次数。需要注意，在关中断的情况下不进行计数，不能作为准确时间使用。每次Tick中断发生时，在函数VOID OsTickHandler(VOID)中会更新g_ullTickCount数据。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT64 LOS_TickCountGet(VOID)
{
    return g_ullTickCount;
}

2.2.3 获取系统时钟

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)函数获取配置的系统时钟。

UINT32 LOS_SysClockGet(VOID)
{
    return g_sysClock;
}

2.2.4 获取系统启动以来的Cycle数

函数VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)定义在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_timer.c中，该函数获取系统启动以来的Cycle数。返回结果按高、低32位的无符号数值UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo分别返回。

我们看下该函数的源码。先关中断，然后⑴处获取启动启动以来的Tick数目。⑵处通过读取当前值寄存器SysTick Current Value Register，获取hwCycle。⑶处表示中断控制和状态寄存器Interrupt Control and State Register的第TICK_CHECK位为1时，表示挂起systick中断，tick没有计数，需要加1校准。⑷处根据swTick、g_cyclesPerTick和hwCycle计算出自系统启动以来的Cycle数。⑸处获取Cycle数的高、低32位的无符号数值，然后开中断、返回。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalGetCpuCycle(UINT32 *cntHi, UINT32 *cntLo)
{
    UINT64 swTick;
    UINT64 cycle;
    UINT32 hwCycle;
    UINTPTR intSave;

    intSave = LOS_IntLock();

⑴  swTick = g_ullTickCount;
⑵  hwCycle = SysTick->VAL;

⑶  if ((SCB->ICSR & TICK_CHECK) != 0) {
        hwCycle = SysTick->VAL;
        swTick++;
    }

⑷  cycle = (((swTick) * g_cyclesPerTick) + (g_cyclesPerTick - hwCycle));

⑸  *cntHi = cycle >> SHIFT_32_BIT;
    *cntLo = cycle & CYCLE_CHECK;

    LOS_IntRestore(intSave);

    return;
}

小结

本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的时间管理模块的源代码。时间管理模块为任务调度提供必要的时钟节拍，会向应用程序提供所有和时间有关的服务，如时间转换、统计、延迟功能。后续也会陆续推出更多的分享文章，敬请期待，也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得，有任何问题、建议，都可以留言给我们： https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，建议访问 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m，关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下，谢谢。

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